Mathematik erklärt die Dynamik von Superfluid

Bei nahezu möglichst kalter Temperatur bildet Quecksilber (mit Hilfe von flüssigem Helium) einen Zustand, der als Supraleitung bezeichnet wird. Bis jetzt…

Wenn flüssiges Helium-4 auf der Kelvin-Skala (minus 273 Grad Celsius oder minus 460 Fahrenheit) auf wenige Grad des absoluten Nullpunkts gebracht wird, wird es zu einem bemerkenswerten Superfluid-Zustand. Es wirbelt, es kräuselt sich und sein Mangel an Körper verwirrt Wissenschaftler seit fast einem Jahrhundert. Jetzt hat ein Team unter der Leitung eines Physikers der Universität Washington, das den leistungsstärksten Supercomputer für die offene Wissenschaft verwendet, ein theoretisches Bild erstellt, das das Echtzeitverhalten von Superfluid erklärt. Nur wer ist hier die verantwortliche Partei? Versuchen Sie es mit subatomaren Partikeln, die Fermionen genannt werden.

Frauen sind ein wesentlicher Bestandteil der natürlichen Gleichung wie Elektronen, Protonen und Neutronen… genau wie Superfluide Teil von Neutronensternen sind. Die Superfluidoberfläche von Neutronensternen – oder Pulsaren -, die sich zwischen einer und 1.000 Mal pro Sekunde dreht, verhält sich ganz anders als ihr Gegenstück hier auf der Erde. Mit zunehmender Geschwindigkeit bildet sich eine Reihe kleiner Wirbel, die sich zu einem dreieckigen Muster zusammenschließen. Dies wiederum bildet ein Geflecht innerhalb der Superfluidstruktur. "Wenn Sie die richtige Geschwindigkeit erreichen, erzeugen Sie einen Wirbel in der Mitte", sagte Bulgac. „Und wenn Sie die Geschwindigkeit erhöhen, erhöhen Sie die Anzahl der Wirbel. Aber es geschieht immer in Schritten. “

Kann die Wissenschaft es nachbauen? Ja. Labormodelle, die eine Vakuumkammer und einen Laserstrahl verwenden, um ein elektrisches Feld hoher Intensität zu erzeugen, haben es geschafft, eine kleine Probe, vielleicht 1 Million Atome, auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu kühlen. Dann wird ein "Laserlöffel" verwendet, um das Superfluid schnell genug zu rühren, um Wirbel zu erzeugen.

"Bei dem Versuch, das seltsame Verhalten zu verstehen, haben Wissenschaftler versucht, beschreibende Gleichungen zu entwickeln, wie sie beispielsweise verwendet werden könnten, um die Wirbelwirkung in einer Tasse Kaffee beim Rühren zu beschreiben." Sagte Bulgac. „Um die Wirkung in einem Superfluid aus Fermionen zu beschreiben, ist jedoch eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Gleichungen erforderlich. Jedes beschreibt, was passiert, wenn nur eine Variable – wie Geschwindigkeit, Temperatur oder Dichte – geändert wird. Weil die Variablen verknüpft sind, ändern sich auch andere, wenn man sie ändert. “

Eine der größten Herausforderungen bei der Formulierung einer mathematischen Hypothese ist die Rechenleistung, die erforderlich wäre, um ein Problem mit einer Reihe variabler Änderungen zu lösen, die 1 Billion oder mehr erreichten. Wie haben sie das gemacht? Das Team verwendete den JaguarPF-Computer im Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, einem der größten Supercomputer der Welt, für umgerechnet 70 Millionen Stunden, was auf einem Single-Core-Personal Computer fast 8.000 Jahre erfordern würde (JaguarPF hat fast ein Viertel Millionen Kerne). Versuche das einfach abzukühlen!

"Dies zeigt Ihnen die Komplexität dieser Berechnungen und wie schwierig dies ist", sagte Bulgac. Um die Sache noch komplexer zu machen, verliert das Superfluid umso schneller seine Eigenschaften, je schneller es gerührt wird – aber nicht so schnell wie angenommen. "Die Arbeit bedeutet, dass Forscher die Eigenschaften eines Neutronensterns mithilfe von Computersimulationen" bis zu einem gewissen Grad "untersuchen können." Sagte Bulgac. "Es eröffnet auch neue Forschungsrichtungen in der Kaltatomphysik."

Und noch mehr Hausaufgaben von unserer Seite.

Quelle der Originalgeschichte: University of Washington.

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